49
CURS 2 REȚELE 5G Ș.L. DR. ING. ZSUZSANNA ȘUTA DEPARTAMENTUL DE COMUNICAȚII
CURS 2REȚELE 5G
Ș.L. DR. ING. ZSUZSANNA ȘUTA
DEPARTAMENTUL DE COMUNICAȚII
CUPRINS
❑ IMT-2020
❑ Cerințe minimale IMT-2020
❑ 3GPP 5G NR
❑ Nivel fizic
❑ Nivel MAC
❑ RRC
TCSTI - Curs 2 2020-2021 2
INTRODUCERE
❑ Prima rețea 5G: Corea de Sud, Aprilie 2019
❑ Cerințele au fost specificate de ITU-R IMT-2020
❑ 3GPP definește ca 5G NR (New Radio)
o Nu este standard, va fi parte a standardului
o Este o propunere de implementare
o ITU-R trebuie să aprobe
❑ Folosirea 5G
o eMBB – Enhanced Mobile Broadband
o URLLC – Ultra Reliable Low Latency Communications
o mMTC – Massive Machine Type Communications
TCSTI - Curs 2 2020-2021 3
IMT-2020
❑ International Mobile
Telecommunications-2020 (IMT-2020)
sunt cerințele pentru 5G de la ITU-R
(International Telecommunication
Union Radiocommunication Sector)
o Va fi complet în 2020; 3GPP a
dezvoltat tehnologiile de acces radio
TCSTI - Curs 2 2020-2021 4
IMT-2020
❑ IMT-2020 vs. IMT-advanced:
o Debit 10x
o Eficiență spectrală 3x
o Handover de la 350km/h la 500km/h
o Densitate dispozitive 10x
o Eficiență energetică rețea 100x
TCSTI - Curs 2 2020-2021 5
IMT-2020
❑ Importanța
capabilitităților
pentru diverse
scenarii de
utilizare
TCSTI - Curs 2 2020-2021 6
CERINȚE MINIMALE IMT-2020
❑ Debitul maxim în condiții ideale la o singură stație mobilă – pentru eMBB
o W – lărgime de bandă; SEp – eficiența spectrală maximă în bandă => Rp = W*SEp
o Pentru Q subbenzi: R = σ𝑖=1𝑄
Wi*Sepi
o Downlink: 20 Gbps, uplink: 10 Gbps
❑ Eficiența spectrală maximă – pentru eMBB
o Downlink: 300 bit/s/Hz, uplink: 15 bit/s/Hz
❑ Debit experimentat de utilizatori – pentru eMBB
o W – lărgime de bandă; SEuser – 5% din eficiența spectrală a utilizatorului => Ruser = W*SEuser
o Downlink: 100 Mbps, uplink: 50 Mbps
TCSTI - Curs 2 2020-2021 7
CERINȚE MINIMALE IMT-2020
❑ Eficiența spectrală medie este numărul de biți recepționați corect de toți utilizatorii împărțit
la lărgimea de bandă împărțit la nr. de TRxP (Transmission Reception Point) - eMBB
SEavg = (σ𝑖=1𝑁 Ri(T))/(T*W*M)
o N – nr. Utilizatori, M – nr. TRxP, W – lărgime de bandă, T – durata de timp de recepție
o Hotspot indoor downlink: 9 bits/s/Hz/TRxP, uplink: 6.75 bits/s/Hz/TRxP
o Urban dens downlink: 7.8 bits/s/Hz/TRxP, uplink: 5.4 bits/s/Hz/TRxP
o Rural downlink: 3.3 bits/s/Hz/TRxP, uplink: 1.6 bits/s/Hz/TRxP
❑ Capacitate de trafic a ariei: numărul de biți recepționați corect pe arie geografică – eMBB
Carea = ρ * W * SEavg
o Ρ este densitatea de TRxp exprimat în TRxP/m2
o Indoor Hotspot downlink: 10 Mbit/s/m2
TCSTI - Curs 2 2020-2021 8
CERINȚE MINIMALE IMT-2020
❑ Latență
o Latența utilizatorilor: întârzierea datorată conexiunii radio între momentul trimiterii și
recepționării pachetului
▪ 4 ms pentru eMBB
▪ 1 ms pentru URLLC
o Latența de control: timpul necesar tranziției din mod de salvare a bateriei în mod de transfer de
date continuu
▪ 20 ms, dar se recomandă să nu fie mai mare de 10 ms
❑ Densitatea de conexiuni: nr. maxim de dispozitive cu un anumit QoS pe unitate de arie –
mMTC
o 1 000 000 dispozitive/km2
TCSTI - Curs 2 2020-2021 9
CERINȚE MINIMALE IMT-2020
❑ Eficiența energetică: capabilitatea tehnologiilor de interfață radio de a minimiza consumul
de energie al rețelei/al dispozitivului relativ la capacitatea de trafic/caracteristicile de trafic
o Transmisii de date eficiente în caz de încărcare a rețelei
o Consum de energie redus când nu sunt date de transmis
❑ Robustețe: capacitatea de a transmite o cantitate dată de informație într-o perioadă de
timp prederminată cu probabilitate mare de succes – URLLC
o 1-10-5 probabilitate de succes pentru transmiterea PDU – rilor de nivel 2 de 32 bytes în 1 ms
❑ Mobilitate: viteza maximă a stației mobile la care se poate asigura un anumit QoS
o Clase de mobilitate: staționar – 0 km/h; pedestrian – 0-10 km/h; vehicular – 10-120 km/h;
vehicular de viteză mare – 120-500 km/h
TCSTI - Curs 2 2020-2021 10
CERINȚE MINIMALE IMT-2020
❑ Întreruperea mobilității: perioada de timp cea mai scurtă în care terminalul utilizatorului nu
poate schimba pachete cu stațiile de bază pe durata tranziției – eMBB și URLLC
o 0 ms este cerința
❑ Lărgimea de bandă: este banda agregată maximă a sistemului
o Cel puțin 100 MHz
o Tehnologiile de interfață radio ar trebui să suporte până la 1 GHz
o Lărgimea de bandă trebuie să fie scalabilă, tehnologiile de interfață radio trebuie să fie capabile
să lucreze cu diferite lărgimi de bandă
TCSTI - Curs 2 2020-2021 11
3GPP 5G NR
❑ 5G NR (New Radio) este dezvoltat de 3GPP pentru standardul global de 5G
❑ Seria 38 de specificații 3GPP descrie detaliile tehnice pentru 5G NR
TCSTI - Curs 2 2020-2021 12
3GPP 5G NR
❑ Studiul 5G NR a început în 2015, în 2017 a fost disponibilă prima specificație
TCSTI - Curs 2 2020-2021 13
3GPP 5G NR
❑ 5G NR folosește două benzi de frecvență:
o <6GHz
o >24GHz
❑ Există două moduri de implementare a rețelelor 5G:
o NSA (Non-Standalone Mode)
▪ Folosește planul de control LTE, 5G NR este implementat doar pe planul utilizator
▪ Se folosește rețeau core de LTE
o SA (Standalone Mode)
▪ Se folosește 5G și pentru semnalizări
▪ Rețeau core este 5G și nu are dependință de LTE
TCSTI - Curs 2 2020-2021 14
NIVELUL FIZIC 5G NR
❑ Numerologie
o 5G NR folosește OFDM și permite spațierea scalabilă a subpurtătoarelor: Δf=2μ15kHz
o O numerologie este definită de spațierea subpurtătoarelor și de prefixul ciclic
o Selecția depinde de dimensiunea celulei și de banda de frecvență
o Metoda de duplexare poate fi TDM și/sau FDM în UL și DL
TCSTI - Curs 2 2020-2021 15
NIVELUL FIZIC 5G NR – CADRE
❑ Structura cadrelor
5G NR
o Un slot conține 14
simboluri OFDM
o Un subcadru are
durata de 1ms
o Un cadru are
durată fixă de 10
ms
TCSTI - Curs 2 2020-2021 16
NIVELUL FIZIC 5G NR – CADRE
o În domeniul frecvență un bloc de resurse (PRB – Physical Resource
Block) conține 12 subpurtătoare consecutive
o Structura cadrului nu depinde de duplexare
o Pentru fiecare purtătoare și numerologie se definește o matrice de
resurse de NRBmax,μNSC
RB subpurtătoare cu Nsymbsubframe,μ simboluri
OFDM
TCSTI - Curs 2 2020-2021 17
NIVELUL FIZIC 5G NR – CADRE
o Un slot poate fi folosit
▪ Doar pentru DL
▪ Doar pentru UL
▪ Mixt UL și DL
o SFI (Slot Format Indication) transmite către UE
dacă un slot este UL, DL sau flexibil
▪ SFI poate fi dinamic sau static
▪ Conține un index către un tabel preconfigurat
specific UE
TCSTI - Curs 2 2020-2021 18
NIVELUL FIZIC 5G NR – ACCES INIȚIAL
❑ Accesul inițial al UE se realizează prin 3 pași:
o Detecția semnalului de sincronizare (SS – Synchronization Signal)
o Obținerea informațiilor broadcast
o Stabilirea conexiunii prin acces aleator
❑ Detecția SS
o SS este format din 2 semnale
▪ PSS – Primary Synchronization Signal
▪ SSS – Secondary Synchronization Signal
o SS cu PBCH (Physical Broadcast Channel) și cu DMRS (DeModulation Reference Signal)
formează un bloc SS/PBCH
TCSTI - Curs 2 2020-2021 19
NIVELUL FIZIC 5G NR – ACCES INIȚIAL
o gNB folosește blocul SS/PBCH pentru transmisia informațiilor
necesare pentru ca UE să poată detecta celulele NR, să se poată
sincroniza, să poată măsura calitate transmisiei DL
o gNB stabilește perioada transmisiei pentru SS/PBCH
o UE identifică blocurile SS prin:
▪ Indicele indicat de DMRS și de PBCH
o Este definită o lărgime de bandă minimă pentru PSS, SSS și
PBCH:
▪ < 6GHz: spațiere de 15kHz → 5MHz, spațiere de 30kHz → 10MHz
▪ > 6GHz: spațiere de 120kHz → 50MHz, spațiere de 240kHz →
100MHz
TCSTI - Curs 2 2020-2021 20
gNB UE
NIVELUL FIZIC 5G NR – ACCES INIȚIAL
o Secvența PSS/SSS este mapată pe 127 subpurtătoare
o Frecvența centrală a PSS/SSS este aliniată cu frecvența centrală a PBCH
o Transmisia pe PBCH:
▪ TTI 80ms
▪ Payload 56 biți
▪ Se folosește cod polar
TCSTI - Curs 2 2020-2021 21
NIVELUL FIZIC 5G NR – ACCES INIȚIAL
❑ System Information Notification
o Informațiile broadcast trimise de gNB sunt de 3 tipuri:
▪ Informații broadcast trimise pe PBCH
▪ Informații de sisteme necesare pentru accesul inițial
▪ Alte informații de sistem
o PBCH include SFN (System Frame Number) și alte informații pe care UE le folosește pentru
sincronizarea de cadru după detecția SS
o UE va recepționa SIB 1 (System Information Block) care va conține informații despre
purtătoarea uplink și configurarea semnalelor de acces aleator
TCSTI - Curs 2 2020-2021 22
NIVELUL FIZIC 5G NR – ACCES INIȚIAL
❑ Acces aleator
o UE identifică cel mai bun bloc SS
o UE folosește PRACH (Physical Random
Access Channel) pentru transmisia unui
set de resurse:
▪ Asocierea între blocul SS selectat și
parametrii PRACH configurați pe baza
informației de sistem
▪ UE anunță gNB despre cel mai bun bloc
SS
o 5G NR definește 13 formate PRACH
o Secvențele PRACH sunt bazate pe
Zadoff-Chu
TCSTI - Curs 2 2020-2021 23
NIVELUL FIZIC 5G NR – ACCES INIȚIAL
TCSTI - Curs 2 2020-2021 24
NIVELUL FIZIC 5G NR – MIMO
❑ În benzile de frecvență înalte este necesară folosirea antenelor multiple
o Câștigul de beamforming compensează efectele atenuării radio
❑ Se folosește MIMO cu beamforming hibrid cu până la 256 elemente de antenă la gNB și
până la 32 antene la UE
❑ Beamforming hibrid:
o Beamforming digital pentru controlul semnalelor bandă de bază
o Beamforming analogic pentru controlul semnalelor RF
❑ Pentru creșterea eficienței spectrale se folosește multiplexare spațială
TCSTI - Curs 2 2020-2021 25
NIVELUL FIZIC 5G NR – MIMO
TCSTI - Curs 2 2020-2021 26
NIVELUL FIZIC 5G NR – SCHEDULING
❑ Scheduling-ul canalelor DL se face pe baza informației DCI (Downlink Control
Information)
o DCI este transmis pe canalul PDCCH (Physical Downlink Control Channel)
o gNB alocă UE un canal PDSCH (Physical Downlink Shared Channel)
o UE trimite un mesaj HARQ-ACK prin PUCCH (Physical Uplink Control Channel)
o UE trimite de asemenea SR (Scheduling Request) și CSI (Channel State Information)
o gNB alocă resursele în funcție de informațiile recepționate
TCSTI - Curs 2 2020-2021 27
NIVELUL FIZIC 5G NR – HARQ
❑ Retransmisiile HARQ permit două operații
o Retransmisia întregului bloc transmis inițial
o Retransmisia CBG (Code Block Group) – sunt retransmise doar blocurile de cod eronate și nu
întregul bloc de transport
TCSTI - Curs 2 2020-2021 28
NIVELUL FIZIC 5G NR – MODULAȚIE
❑ Se folosesc modulațiile BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM, 256QAM ca scheme de
modulație primare
❑ Scheme de modulație secundare:
o CP-OFDM: OFDM cu prefix ciclic, adaugă o perioadă de gardă pentru protecția la interferența
inter-simbol
▪ Este folosit cu MIMO
o DFTS-OFDM (Discrete Fourier Transform Spreading OFDM): suprimă PAPR pentru a permite
acoperire mai largă
▪ Folosit cu transmisii pe un singur nivel
TCSTI - Curs 2 2020-2021 29
NIVELUL FIZIC 5G NR – MODULAȚIE
TCSTI - Curs 2 2020-2021 30
NIVELUL FIZIC 5G NR – CODARE CANAL
❑ Se folosesc coduri LDPC și coduri polare
❑ Codurile LDPC se folosesc pentru canalele de date
o Permit procesare paralelă – se reduce întârzierea de decodare
❑ Codurile polare se folosesc în canalele de control
TCSTI - Curs 2 2020-2021 31
NIVELUL FIZIC 5G NR – PUTERE DE EMISIE
❑ Controlul puterii de emisie ia în considerare operațiile de beamforming
o UE folosește semnale de referință pentru a calcula atenuarea
o Pentru fiecare beam transmis/recepționat se poate configura controlul puterii în funcție de
atenuarea canalului
o gNB configurează puterea maximă de transmisie pentru fiecare grup de celule
o Controlul puterii la UE depinde dacă acesta este capabil să împartă dinamic puterea de emisie
între LTE și NR
TCSTI - Curs 2 2020-2021 32
NIVELUL FIZIC 5G NR – BWP
❑ Lărgimea de bandă a purtătoarelor NR este de 100MHz la frecvențe mai mici de 6GHz și
400MHz la frecvențe mai mari
❑ Conceptul BWP (Bandwidth Parts) permite UE să folosească lărgimi mai mici de bandă
decât cele folosite de gNB
o Configurație BWP este stabilită de gNB
o Se poate aplica și dacă nu există date de transmis pentru reducerea consumului de putere
TCSTI - Curs 2 2020-2021 33
NIVELUL FIZIC 5G NR – CANALE UL
❑ PRACH – Physical Random Access Channel
o Se folosește pentru accesul inițial
❑PUSCH – Physical Uplink Shared Channel
o Transportă datele utilizatorilor
o Simbolurile modulate sunt asociate cu cuvinte de cod
o Permite CP-OFDM sau DFTS-OFDM
o Schemele de trasnmisie pot fi bazate sau nu pe codebook
o Se transmite secvența de referință DMRS (secvență Gold pentru CP-OFDM, secvență Zadoff-
Chu pentru DFTS-OFDM)
TCSTI - Curs 2 2020-2021 34
NIVELUL FIZIC 5G NR – CANALE UL
TCSTI - Curs 2 2020-2021 35
NIVELUL FIZIC 5G NR – CANALE UL
❑ PUCCH – Physical Uplink Control Channel
o Transportă UCI (Uplink Control Information), HARQ-ACK și/sau SR
o Există două tipuri de PUCCH: scurt și lung
o Sunt definite 5 formate diferite pentru PUCCH
TCSTI - Curs 2 2020-2021 36
NIVELUL FIZIC 5G NR – CANALE DL
❑ PBCH – Physical Broadcast Channel
o Folosit pentru accesul inițial
❑ PDCCH – Physical Downlink Control Channel
o Transportă informația DCI (Downlink Control Information)
o Se folosește modulația QPSK
o PDCCH constă din una sau mai multe elemente de canal de control (CCE, Control Channel
Element)
▪ 1 CCE constă din 6 REG (Resource Element Group)
▪ 1 REG constă din 1 bloc de resurse pe durata unui simbol OFDM
o CORESET (Control Resource Set): este unitatea de bază de alocare pentru PDCCH și constă
din REG și CCE corespunzătoare
TCSTI - Curs 2 2020-2021 37
NIVELUL FIZIC 5G NR – CANALE DL
❑ PDSCH – Physical Downlink Shared Channel
o Transportă datele utilizatorilor
TCSTI - Curs 2 2020-2021 38
MAC NR
❑ Serviciile oferite de către nivelul MAC:
o Maparea canalelor logice și de transport
o Multiplexare MAC SDU în blocuri de transport
▪ SDU aparțin canalelor logice, iar blocurile de transport canalelor de transport
o Demultiplexarea MAC SDU din blocurile de transport
o Raportarea informației de scheduling
o Corecție de erori prin HARQ
o Prioritizarea canalelor logice în UL
TCSTI - Curs 2 2020-2021 39
MAC NR – CANALE
❑ Canale de transport:
o BCH – Broadcast Channel
o DL-SCH – Downlink Shared Channel
o PCH – Paging Channel
o UL-SCH – Uplink Shared Channel
o RACH – Random Access Channel
❑ Canale logice:
o BCCH – Broadcast Control Channel
o PCCH – Paging Control Channel
o CCCH – Common Control Channel
o DCCH – Dedicated Control Channel
o DTCH – Dedicated Traffic Channel
TCSTI - Curs 2 2020-2021 40
MAC NR – MAPAREA CANALELOR
TCSTI - Curs 2 2020-2021 41
MAC NR – PROCEDURI
❑ Procedura de acces aleator:
o Obține grant-ul inițial pentru UE
o Ajută la sincronizarea cu gNB
o Include: inițializarea accesului aleator, selecția resurselor, transmisia preambului de acces
aleator, recepționarea răspunsului
❑ Transfer de date DL-SCH
o Realizează procedurile necesare pentru transmisia datelor DL
❑Transfer de date UL-SCH
o Realizează procedurile necesare pentru transmisia datelor UL
❑ SR (Scheduling Request)
o Este folosit de UE pentru transmisia la gNB a unei cereri pentru un grant UL
TCSTI - Curs 2 2020-2021 42
MAC NR – PROCEDURI
❑Recepția PCH
o Monitorizează mesajele de paging
❑ Recepția BCH
o Transportă informații de bază despre celula 5G NR
❑ DRX (Discontinous Reception)
o Permite monitorizarea PDCCH
❑ Alte proceduri:
o Transmisie/recepție fără scheduling dinamic, operații BWP, reconfigurarea MAC, monitorizarea
inactivității datelor, procesarea datelor de protocol eronate, etc.
TCSTI - Curs 2 2020-2021 43
MAC NR – MAC PDU
❑ Un MAC PDU constă din unul sau mai multe sub-PDU
❑ Fiecare sub-PDU are unul următoarele câmpuri:
o Subantet MAC
o Subantet MAC și MAC SDU
o Subantet MAC și MAC CE (Control Element)
o Subantet MAC și padding
❑ SDU MAC au dimensiuni variabile
o Fiecare subantet MAC corespunde la un MAC SDU, MAC CE sau padding
TCSTI - Curs 2 2020-2021 44
MAC NR – MAC PDU
TCSTI - Curs 2 2020-2021 45
MAC NR – MAC PDU
❑ Subantetul MAC conține câmpurile:
o LCID: Logical Channel ID
▪ Identifică canalul logic corespunzător MAC SDU
▪ Are lungimea de 6 biți
o L: este câmpul de lungime al MAC SDU
o F: lungimea câmpului L
▪ Valoarea 0 → câmp L de 8 biți
▪ Valoarea 1 → câmp L de 16 biți
o R: rezervat, configurat cu 0
TCSTI - Curs 2 2020-2021 46
CONTROLUL RESURSELOR RADIO
❑ RRC (Radio Resource Control) – este responsabil de gestionarea mesajelor de
semnalizare dintre gNB și UE
❑ Funcțiile RRC 5G:
o Stabilirea, restabilirea și desfacerea conexiunii RRC
o Transferul SIB (System Information Block) la cererea UE
o Suspendarea/reluarea conexiunii RRC
o Semnalizarea legată de handover: măsurători, comenzi handover
o Gestionarea RLF (Radio Link Failure)
TCSTI - Curs 2 2020-2021 47
CONTROLUL RESURSELOR RADIO
❑ În NR se adaugă o stare nouă față de LTE, RRC
Inactive
❑ RRC Connected
o UE stochează contextul
o Măsurători și handover controlate de rețea
o DRX configurat de gNB
o Suport pentru agregarea purtătoarelor și pentru
conexiune duală
o Feedback despre CSI
TCSTI - Curs 2 2020-2021 48
CONTROLUL RESURSELOR RADIO
❑ RRC Inactive
o Servește la minimizarea timpului necesar tranziției UE în starea connected din alte stări
o Contribuie la creșterea vieții bateriei UE
o UE și gNB stochează contextul
o Suport pentru reselectarea celulei
o Monitorizarea mesajelor de paging
o Achiziția SIB sau cererea SIB de la gNB
❑ RRC Idle
o Reselectarea celulei
o Paging
o Achiziția SIB sau cererea SIB de la gNB
TCSTI - Curs 2 2020-2021 49
